盛国强
深圳市三鑫幕墙工程有限公司 广东深圳 518000
摘要：众所周知，单元式幕墙的设计和应用填补了建筑幕墙史上的空缺，其中比较具有代表性的就是单元式玻璃幕墙。单元式玻璃幕墙是将玻璃幕墙分拆成局部小块板块，在工厂将板块龙骨、玻璃的加工、拼装工序完成后，运至工地，在工地直接吊挂安装完成。而在单元式幕墙的设计过程中，防水的设计非常重要。设计不当会造成漏水、渗水等质量问题。本文根据笔者多年的设计经验，对单元式幕墙特点及设计进行分析。
关键词：单元式幕墙；设计；特点；分析
一、单元式幕墙作为工厂化加工程度最高的一种幕墙形式，主要工作量是在工厂完成，大大提高劳动生产率和产品质量，这就决定了单元式幕墙具有以下特点：
1、单元式幕墙的最大特点是工地工期短，它包含两重意义上的工期短。其一，因为它大部分工作量是在工厂完成的，运往工地后仅为吊装就位、固定的工作量，这部分工作量占全部幕墙工作量的份额很小。根据统计分析这部分工作量平均实际使用时间约2min/m2，例如一个平面为50m×50m、层高为4m的楼层，外墙面积约为800m2，工地工作量为160min（26.7 h），即不到3天左右即可完成一个楼层；其二，幕墙吊装可以和土建同步进行，使总工期缩短。例如上海金茂大厦（88层），当主体结构完成18层时，开始吊装幕墙，1997年10月主体结构封顶时，幕墙吊装完70层，1998年4月（主体结构封顶6个月）完成全部10700m2幕墙吊装闭合（主体结构完成70层时，幕墙吊装到50层，内部装修开始），1998年8月底全部竣工，交付使用单位。
2、单元式幕墙为建筑师发挥想象力提供了广阔的天地。由于在工厂组装，可以用各种构图来组合，拼装成单元组件，运往工地吊装就位（而元件式幕墙由于受在工地安装条件的限制，一般只能采用简单平面形式组合）。这样就可以设计出各种不同风格的异形幕墙，使采用幕墙的建筑物发挥最佳艺术效果。
3、单元式幕墙融各种幕墙技术于一体（即可采用各种不同的金属杆件，各种不同材质的面板，用各种方法固定面板）。单元式幕墙由于采用对插接缝，使幕墙对外界因素的变形适应能力更好；为采用雨蓬原理进行构造设计提供了最佳场合，从而为提高整幅幕墙的水密性和气密性创造了条件；单元式幕墙的立面布置方式更趋灵活，为采用更合理的杆件计算简图提供了条件，从而使杆件（竖框）用料更经济；单元式幕墙由于在工厂组装，单元组件本身的质量控制比工地优越。
必须指出，这几年国内已安装的几个大型超高建筑的单元式幕墙接缝处理，采用的是国外20世纪70、80年代开发的型材，其水密性能不高已成其通病，纵观这些建筑的单元式幕墙三性测试报告，其水密性很少有达到1000Pa的，最低的仅为300Pa，很难达到国家标准规定的≥1000Pa（上海市规定≥1600Pa）的要求，同时这些已安装的单元式幕墙不能单块更换面板，安装过程对插很困难，因此开发高性能的单元幕墙的任务还很艰难。
4、单元式幕墙在构造设计上有其特点，对此应明确认识，如果稍有疏忽将千万难以弥补的后遗症，由于单元式幕墙单元组件间的接缝靠上、下单元（左、右单元）杆件对插形成的，因此在上、下、左、右四个单元连接处有一贯通内外的空洞，对这个空洞的堵塞，在设计型材时就要采用相应设计，如到安装时发现，处理的难度就很大，只能采用一些事后补救措施，其效果就很差（相当于打补钉）。要特别提醒单元式幕墙的设计人员千万不要忘记这个部位的处理。
对这个部位的处理，现在有两个方案，即横滑型和横锁型，这两种分类方法是根据地震作用下，单元组件反应的差别来划分的。横滑型构造是在左、右相邻丙单元组件上框中设封口板，用这个封口板将上、下、左、右4个单元组件结合部位内外贯通的开口封堵，由于这个封口板嵌在单元组件上框的滑槽内，它不限制上单元下框在丙相邻下单元组件上框内滑动，在地震作用下，建筑物产生层间变位，原来上下对齐的单元组件，在建筑物主体结构产生层间变位时，强制上单元组件滑入与下单元相邻的单元组件上框中。以前国外有些人从拟静力试验的结果（拟静力试验时采用规律性左右变位，单元组件有规律同时运动）认为单元式幕墙由于这种滑动而减少了单元组件本身的平面变形。1994年同济大学用振动台法进行单元式幕墙抗震试验，发现单元式幕墙平面内变位带有随机性（不是有规律同向运动），即相邻两单元组件间会发生背向运动（相互拉开）和相向运动（相互碰撞），由于地震是三维运动，相互拉开后，由于有前后方向的运动，拉开后不能复槽而产生碰撞。因此在设计单元组件左右接缝进，要使其搭接量比预期变位量大1mm，防止两单元组件碰撞。1999年10月，中国建筑科学研究院落建筑结构研究所进行背栓式连接石材幕墙抗震试验，试验中栓接头在大震中开始滑动，明显看到石材板块的滑移和碰撞（缝间未注胶），这就要求对石材面板的留缝要比计算结果大1mm，以防碰撞。
横锁型是在上下相邻丙单元组件竖框内设各自开口的内套管，内套管也互相对插，将接缝处空洞封堵，由于上下单元竖框内套管插接，上下单元形成横向锁定，即上单元组件不能在下单元组件上框中滑动，而称横锁型，在地震作用下，其地震作用下变位与元件式相同，即竖框建筑物主体结构层间位移进行平面内变形，对单个单元组件来讲其平面内变形率大于横锁型（与主体结构层间位移一样大小）。因此在设计单元式幕墙时一定要对此有清醒的认识。
在学习国外幕墙公司技术经验，和对近十年来国内建造单元式幕墙经验的总结，可找出单元式幕墙的几个关键技术问题。
二、单元式幕墙接缝的特点
元件式（元件单元式）幕墙是在主体结构上安装杆件（立柱、横梁）形成框格的，框格的外形、尺寸及外表面平整度是在杆件安装过程中调整、定位、固定形成的，杆件安装完毕形成固定在主体结构上的框格后，再安装玻璃（金属板、石板、装配玻璃组件等）形成幕墙，面板的接缝在一根整体杆（立柱、横梁）上，这个杆件在型材挤压时就是一个整杆件，面板固定在这个杆件上。上墙安装时先安装杆件，此时由于尚未安装面板，人可在外侧操作，对杆件进行调整、定位后固定，在杆件安装定位固定后再安装面板。
单元式幕墙在工厂已将单元组件制作完成，即面板已安装在单元组件框上，而单元组件与主体结构的连接件安装在单元组件内侧，在吊装时单元组件与主体结构的连接必须在内侧操作。单元组件间接缝靠相邻两单元组件相邻框对插组成组合杆完成接缝，即它不是在一个整体杆件上接缝，而是靠对插组成组合杆完成接缝。幕墙的外形、尺寸（精度）是在工厂完成的，幕墙的外表面平整度是靠安装在主体结构上的连接件的准确性和幕墙的构造厚度来保证的，在安装过程中无法调整。
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三、单元式幕墙技术特点
由于单元式幕墙接缝构造上的特点，决定了单元式幕墙构造上的特殊性，这主要表现在下述三个方面：
1、封口技术
单元式幕墙通过对插完成接缝，这样在上、下、左、右四个单元连接点上必然有一个四个单元组件对插件均不能达到的地方，此处必然有一个内外贯穿的洞，如何堵好这个洞是单元式幕墙设计中必须解决好的问题，即在设计型材前就要将封口的构造设计好，在设计型材断面时就要将封口构造体现型材上，挤压出的型材断面就包含有封口构造的要求，如果在设计时不考虑好封口构造，将千万不可弥补的损失。
现在封口方法有两种类型：即横滑型和横锁型。横滑型是在下单元上框中设封口板，此封口板除了具有封口功能外，还是集水槽和分隔板（把竖框分隔成每层一个单元）。横滑型封口板嵌在下单元上框母槽内，它比上单元下框公槽大，上单元下框可以在封口板槽内自由滑动，在主体结构层间变位时原来上下一一对齐的两单元组件，在主体结构层间变位影响下，上下两层发生相对位移，这时候上单元组件不再定位在原来对齐的下单元组件上框中，而有可能局部滑入相邻下单元组件的上框，由于这种滑动，在震中单元组件本身平面内变形比主体结构层间位移小。
但在地震时单元式幕墙不像拟静力试验中只有同向运动而是随机运动，即在地震发生的最初阶段是同向运动，以后陆续发生异向运动，即相向运动和背向运动，相向运动时可能会发生相邻两单元接缝处杆件碰撞；背向运动时，相邻两单元接缝拉开，由于三维地震作用影响，拉开后恢复时杆件错位而碰撞，因此《高层民用建筑钢结构技术规规程》（JGJ99-98）第9.1.3条规定幕墙与主体结构连接设计应考虑防碰撞问题。横滑型封口板的集水、排水功能比较成熟，如果设计得好，则可大大提高幕墙水密性能，即可以达到超高性能（2500Pa）水平。但这种封口只能用于相邻两单元180度对插，即只能用于处于一个平面上的单元组件，如果两单元组件折线或90度对插，封口板就无法使用，要采用辅助封口措施（用胶带纸粘贴在竖框顶端形成底板，再注胶密封）。
横锁型是在接缝处竖框空腔中设一个多功能插芯，这种插芯由两部分组成，对插的封口部分和一个向上开口其他五面封闭的集水壶组成，对插部分位于四单元交接处，集水壶位于下部，它集封口、集水、分隔于一身（将横向空腔分隔成每一单元组件宽的一个独立空腔。横锁型由于位于上下两单元交接处，将上下两单元组合成一个整体，左右相邻两单元不能滑动，且单元组件固定在主体结构上，它的平面内变形与主体结构的层间变位几乎相同。从情况看，它的集水排水功能尚不理想，但它可用于单元组件任何角度对插，且由于插芯将上下两单元固定，左右两单元组件不能运动，所以不会发生碰撞。
2、收口技术
单元式幕墙单元组件间靠对插完成接缝，在安装时要横越向按次序一一对插，当中不能留空位（因为对插接缝无法平推进入空位），最后一个单元如何与相邻两单元连接是一个难点，因为已安装固定的左右两单元组件之间距离净空比单元组件实际宽度要小，这个组件无法在水平方向平推进入空位，也不能先插一侧再插另一侧，这样在设计时，对最后一个单元组件的组装要考虑好接缝方法（现在一般采用二加一收口法，一处收口点留三单元空位，收口时两单元组件平推进入空位，再从上向下插最后一单元组件或用先固定相邻两不带对插件的组件，定位固定后插入第三者完成接缝，第三者与单元组件要错位插接，达到互为封口），由于收口处理技术比较复杂，因此最好每层只设一处收口点，这就要求在设计时就确定好收口位置及相应的收口方法，非设计收口部位不能中断安装过程而留空位，在编制施工组织设计（全部土建工程而不是幕墙工程分部的施工组织设计）时，特别是施工总平面图设计时要注意到单元式幕墙横向一一对插的特点，将施工机具布置在单元式幕墙收口部位，不能任意布置，因为高层建筑的塔吊、施工电梯等施工机具，每隔三层左右要和主体结构拉接一次，这些拉接件将使单元组件无法通过而中断安装而留下空位，要待这些机具拆除后才能收口，难度就相当大，即使采取一些临时措施，效果也不会理想。因此对采用单元式幕墙的建筑，在编制施工组织设计时，施工总平面图要按单元式幕墙组装规律，将施工机具布置在单元式幕墙收口部位。
3、单元式幕墙与主体结构的连接与吊装
单元式幕墙是靠相邻两单元组件在主体结构上安装时对插完成接缝的，这样它在构造和连接处理上与单元式（元件单元式）幕墙有着重大的区别。我们必须认识它的这些特点，才能做好单元式幕墙。
在主体结构上安装单元式幕墙的连接件，要对一个安装单元（全高8-10楼层）一次全部安装调整到位，用连接件的安装精度来保证单元式幕墙的安装质量，即单元式幕墙外表面平整度是靠连接件的安装精度和单元式幕墙单元式幕墙单元组件构造厚度的精度来保证的。
单元式幕墙的单元组件在工厂已将面板（玻璃、铝板、花岗石板）装配好，它与主体结构的安装连接要在室内一侧操作，因此内侧必须要有操作空间（由于手无法穿过面板在外侧进行操作），这样对楼板与柱外边平齐（或柱外边突出楼板或实体墙）的建筑，如果单元组件与主体结构的连接点布置在柱位（实体墙面）上，安装时操作难度很大。而当建筑立面上幕墙分格必须在柱位时，就要在设计上采取措施在柱宽以外楼板上设连接点，使连接点避开柱位。
在实体墙面上布置连接点，由于要使一个安装单元（全高或8-12个楼层）的所有连接件三向精度一次全部调整到位，就需用多个吊篮（例如在实体墙面上安装调整连接件有时要在三个层面，每层配3-5个吊篮）进行安装调整，这时安装调整连接悠扬用的工时可能是吊装固定单元组件用的工时的3-5倍。而且由于组件内侧没有操作空间，要求连接件在三向全部达到目的位置要求的精度，且单元组件上的连接构件与连接件的配合要完全吻合才能在吊装时一次就位成功（这很难做到），如果主体结构上的连接件和连接件的配合公差稍大，就无法顺畅安装到位，有时就要采用野蛮的敲、击方法迫使单元组件就位，即使这样也还会有部分组件无法完全安装到位。
安装在主体结构上的连接件除安装精度要保证单元组件的安装质量外，还要在吊装固定过程中具有一定的调节可能，也就是说连接件要具有三向六自由度（三维方向移动和绕X、Y、Z轴转角）。它分两个阶段实施，即连接件在主体结构上安装时的调整和吊装过程中的微调。为保证单元式幕墙外表面平整度，在主体结构上安装连接件时，要Z方向一次完全到位，即连接件安装固定后不能有Z向位移，X、Y向要初步调整到位，且在设计连接件（单元组件上的连接件）时，要使它们在安装过程中，在X、Y向能微量调整位移和绕X、Z轴能微调转角，以使吊装就位能顺畅实施。调整到位后，在X方向，一侧要固定定位，另一侧要能活动并复位。
单元式幕墙在吊装时，两相邻（上下、左右）单元组件通过对插完成接缝，它要求单元式幕墙用的铝型材不仅外观质量要完全符合GB/T5237的规定，而且还要提出补充要求，即对插件的配合公差和对插中心线到外表面的偏差要控制在允许范围之内。单元式幕墙单元组件上的连接构件与安装在主体结构上的连接件的固定与上述相邻单元组件对插同时进行，这样单元式幕墙的质量控制流程和元件式（元件单元式）不一样，元件式（元件单元式）幕墙质量控制环节为杆（元）件制作（结构装配组件制作）和安装两（三）个环节，而单元式幕墙除了控制杆（元）件制作质量外，还要控制单元组件框制作、单元组件组装、在主体结构安装连接件的质量，最后才是吊装固定的质量控制。在单元组件组装时要特别强调单元组件上的连接构件的安装偏差，要使单元组件上的连接构件和安装在主体结构上的连接件的配合公差控制在允许范围之内，才能保证安装好的单元 式幕墙外表面平整芳等项指标达到幕墙质量要求，并且使吊装就位能顺畅实施。如果两者配合公差超过允许范围，则单元组件吊装就位过程很难做到顺畅，往往要采用一些野蛮方法进行敲、击迫使其勉强就位。这时连接构件在连接处发生位移，或迫使杆件挠曲后就位，这样单元组件就产生了装配应力或连接局部破损（松动），影响安全使用和寿命，同时影响安装后的整体质量，降低性能水平。
四、按照雨幕原理进行对插接缝部位的防水构造设计
雨幕原理是一个设计原理，它指同雨水对这一层“幕”的渗透将如何被阻止的原理，在这一原理应用中，其主要因素为在接缝部位内部设有空腔，其外表面的内侧的压力在所有部位上一直要保持和室外气压相等，以使外表面两侧处于等压状态，其中提到的外表面即“雨幕”。压力平衡的取得是有意使开口处于敞开状态，使空腔与室外空气流通，以达到压力平衡。这个将就是由外壁后面留有空腔所形成，此空腔必须和室外联通才能达到上述目的，由于风的随机性造成的阵风波动亦需在外壁两侧加以平衡。
现在有人提出一种“新的防水方法”，他说：“新的防水方法是用疏导的方式，先引水进入等压腔内，再引水流出墙体”。还有人提出和这一说法一脉相承的“幕墙等压原理”图。殊不知等压腔压力等于室外压力，比室内压力要大得多。当等压腔内储存大量雨水后，水总是沿着压力降方向渗入，虽然水在赋予内壁缝隙有几毫米高度的距离，当内外压差为10Pa时，水沿内壁升高1mm；压差100P时，水沿内壁升高10mm；压差为1000Pa时，水沿内壁升高100mm；压差2500Pa时，水沿内壁升高250mm。而JGJ102规范第4.2.5条规定幕墙水密性在任何情况下应大于1000Pa（上海规定为1600Pa）。这样水面到接缝顶点处的高度距离要大于100mm（160mm）才要可避免渗漏，这样组合杆总高度将达到250mm以上，这种尺寸是不可能实现。用这种理论指导单元式幕墙对插接缝防水构造设计，不是提高水密性，而是有意制造渗漏，万万不可采用。
还必须指出单元幕墙是采用雨蓬原理进行对插接缝防水构造设计最理想型式的幕墙，全单元式幕墙一般只能采用密封工法进行水密性设计才能取得好效果。
参考文献：
[1]张芹主编.新编建筑幕墙技术手册.山东科学技术出版社.2003-11
[2]黄世娟.屋面防水设计探讨[J].工程建设与设计.2008
[3]张波，金鑫.浅谈单元式幕墙防水构造设计要点[J].才智.2010
[4]季永鑫.单元式幕墙设计的几个问题[J].门窗.2012
论文作者:盛国强
论文发表刊物:《基层建设》2016年3期
论文发表时间:2016/5/30
标签：单元论文; 幕墙论文; 组件论文; 主体论文; 封口论文; 结构论文; 连接件论文; 《基层建设》2016年3期论文;